嵌入式網絡終端的語音傳輸系統設計

何花,王平,徐世武

(福建師范大學物理與光電信息科技學院,福州350008)

引 言

嵌入式系統因其滿足系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗的要求,已經被廣泛地應用在交通、商業/金融、工業控制、醫療等各個領域[1]。目前,嵌入式網絡應用技術已經成為了國際研究的熱點技術,許多IT行業的公司也都在研發相應的嵌入式網絡終端。

電話是人們最常使用的交流工具,隨著互聯網的迅速發展,基于IP網絡的語音通信成為了人們研究的熱點。傳統電話的語音傳輸質量和可靠性都很好,但資費較高,特別是打國際長途時;而基于IP網絡的語音通信由于是在Internet上傳輸信號,大大節省了通信線路的成本,從而降低了VOIP資費,使其擁有了巨大的市場潛力。

目前,VOIP系統現有的終端軟件,如Skype網絡電話、UUCall網絡電話、KC網絡電話、M icrosoft公司的Net meeting等,都是基于PC機的,難以運行在嵌入式網絡終端這種資源有限的設備上。同時,許多類庫中的函數在PC機上可以正常運行,而W inCE嵌入式操作系統卻不支持,因此不能直接對VOIP系統現有的終端軟件進行簡單的裁剪。

1 嵌入式網絡終端的硬件設計

1.1 系統硬件結構

如圖1所示,系統由嵌入式網絡終端、電源模塊、以太網口模塊、串口和USB接口模塊、顯示模塊(觸摸屏)、語音采集和播放模塊、外部數據存儲模塊以及系統工作狀態指示和接口模塊構成。其中,嵌入式網絡終端采用三星公司專門針對手持設備而設計的S3C2440A-40微處理器。

1.2 語音采集和播放模塊

語音采集和播放模塊的作用是將音頻模擬信號轉換為數字信號,并對信號進行PCM編碼。其電路如圖2所示。采用Philips公司的UDA 1341TS型立體聲音頻CODEC進行音頻編解碼。該芯片提供2個麥克風輸入,可實現單端輸入、差分輸入等靈活配置,并設置了可編程增益放大器和自動增益控制器,可保證高質量的音頻獲取;同時,還集成了聽筒和喇叭輸出的驅動器,喇叭音量可以通過編程調整[2]。S3C2440A-40微處理器與UDA 1341TS編解碼器通過I2S總線直接相連,并采用DMA發送/接收方式,完成系統的錄音和放音。

圖1 網絡終端硬件結構框圖

圖2 語音采集和播放模塊電路圖

1.3 嵌入式操作系統

嵌入式操作系統采用了微軟公司研發的WinCE。它是一款功能強大的32位嵌入式實時操作系統,具有多線程、多任務、完全搶占式的特點,是專為各種受到嚴格資源限制的硬件系統所設計的[3]。WinCE支持多種硬件外圍設備,同時內置的標準通信能力使W inCE能夠訪問Internet并收發E-mail或瀏覽Web。除此之外,WinCE特有的與Windows類似的用戶界面使最終用戶易于使用[4]。

2 VOIP技術

2.1 VOIP的基本原理

VOIP(Voice Over Internet Protocol)是以IP分組交換網絡為傳輸平臺,通過語音壓縮算法對語音數據進行壓縮編碼處理,然后把這些語音數據按IP等相關協議進行打包,經過IP網絡把數據包傳輸到接收地,再把這些語音數據包串起來,經過解碼解壓處理后恢復成原來的語音信號,從而達到由IP網絡傳送語音的目的[5]。其特點是可以將一路語音數據壓縮為8 kb/s甚至更低,同時可使用戶不需要獨占醫療線路資源,從而提高了線路利用率,并大大降低了資費成本。

2.2 VOIP協議

VOIP技術中最主要的兩種呼叫控制協議為H.323協議和SIP協議。H.323是ITU的一個標準協議簇,制定了無服務質量保證的分組網絡(PBN)上的多媒體通信系統標準[6],已在VOIP領域的到了廣泛的應用,呼叫建立比較復雜。SIP協議是由IETF(國際互聯網標準制定組織)制定的面向Internet會議和電話的信令協議[7],參照了H TTP和SMTP協議,呼叫控制在終端完成,呼叫建立相對簡單。

2.3 語音壓縮編碼技術

語音壓縮編碼技術是VOIP技術的核心,其目的就是在保證語音音質和可懂的條件下,采用盡可能少的比特數來表示語音[8]。常用的語音編碼方式有G.723.1、G.729、G.729A等,其中G.729可將采樣為64 kb/s的話音以幾乎不失真的質量壓縮至8 kb/s。本設計采用了G.729方式的語音壓縮算法,結合實時傳輸協議RTP和UDP網絡傳輸技術來實現語音傳輸。

3 系統設計

3.1 終端軟件的功能模塊

終端軟件功能模塊如圖3所示。此終端軟件可為用戶提供良好的交互界面。

圖3 終端軟件功能模塊

3.2 VOIP終端軟件主流程

用戶打開終端軟件,可以根據自己的需要選擇語音聊天、文本聊天或者收發郵件。進行語音聊天前,用戶可以直接在好友欄中選擇聊天對象,也可直接輸入對方的IP進行連接。語音聊天的過程是:說話方,麥克風采集模擬語音信號→語音芯片采集量化編碼→嵌入式系統對信號進行壓縮編碼→RTP格式打包→UDP格式打包→IP格式打包→Internet網絡傳輸;收聽方,接收語音數據→去IP/UDP/RTP包頭→嵌入式系統對信號解碼→語音芯片將數字語音信號轉為模擬信號→揚聲器播放。

4 系統實現

4.1 語音采集和播放

語音信號的采集分為從網絡上采集數據和從音頻編解碼器中獲取數據。主要函數包括:語音采集函數Voice-Captu re(),用線程控制語音采集函數Thread Voice Capture(),創建用于播放的音頻設備對象函數PlayDevice(),創建音頻捕捉設備對象函數CaputerDevice(),創建音頻捕捉緩沖區對象函數CaptureBuffer(),創建輔助緩沖區函數SecondaryBuffer(),音頻格式設置函數SetWaveFormat(),通知事件觸發函數Notification(),停止語音采集函數VoiceStop(),從字節數組中獲取音頻數據并進行播放函數GetVoice-Data()以及語音采集初始化函數InitializeVoice()。

4.1.1 GetVoiceData()函數

具體流程如圖4所示。從網絡上獲取的數據實際是由Local Socket.Begin ReceiveF rom()函數提取網絡數據,再經接收數據函數轉移給GetVoiceData()函數,GetVoiceData()函數提取后放入語音緩沖區供音頻編解碼器提取并播放。GetVoiceData()函數首先用支持存儲區為內存的流MemoryStream從緩沖區讀取數據byteReceive,將字節塊寫入當前流:

MemoryStream.Write(byteReceive,0,intReceive)

當流中存儲的數據達到一定數據量時就播放語音:SecondaryBuffer.Write(0,MemoryStream,intPostionWrite-intPostioPlay,LockFlag.FromWriteCursor)SecondaryBuffer.Play(0,BufferPlayFlags.Default)

圖4 語音采集并播放流程

4.1.2 采集音頻編碼器語音數據

從音頻編解碼器中獲取數據時,首先通過UDA 1341TS采集語音信號放入語音捕捉緩存區,應用程序再從語音捕捉緩沖獲取語音信號并發送。具體程序流程如圖5所示。

4.2 語音傳輸

語音傳輸是主要包含監聽函數Listen(),數據發送函數SendVoice(),數據接收函數ReceiveData(),綁定自己IP和端口函數BindSelf(),遠程終端IP端口設置函數SetRemoteIPEnd()、線程關閉函數ThreadStop()函數和初始化函數InitVoice()。

4.2.1 監聽函數

監聽函數負責監聽遠程計算機發送到本機的信息。每隔一定時間查詢一下網絡,如果有可讀的數據就接收:

LocalSocket.BeginReceiveFrom(byteData,0,byteData.Length,SocketFlags.None,ref endPoint,new AsyncCallback(Receive-Data),null)并且將此線程設置為后臺線程,以便當主線程關閉時,此線程能自動結束。

4.2.2 數據發送函數

數據發送函數的作用是將語音捕捉緩沖區的數據通過Client.Send-To(CaptureData,End-Point)函數發送到網絡上。當線程發現有數據要讀取(即線程被觸發)時,就會循環調用數據發送函數,直到沒有可讀的數據為止。Capture-Buffer為語音捕捉緩沖區對象。數據發送流程如圖6所示。

圖5 從音頻編解碼器中獲取數據

圖6 數據發送流程

4.2.3 數據接收函數

數據接收函數的功能主要是調用GetVoiceData()函數從網絡中接收語音數據并放入緩沖區。代碼如下:

……

結 語

以Internet為標志的嵌入式系統是嵌入式系統發展的第四階段。本文在基于ARM+網卡芯片+UDA 1341TS音頻編解碼芯片模式的硬件平臺實現與網絡資源的對接及語音采集和播放的基礎上,開發了基于W inCE嵌入式操作系統的VOIP系統終端軟件,實現了網絡終端間的語音通信。

[1]王平,何花.基于嵌入式網絡終端的郵件客戶端軟件設計[J].計算機應用,2009,29(10):2823-2826.

[2]王薇,武一,劉永娟.新型嵌入式數字音頻系統設計[J].長春理工大學學報,2009,4(10):165-166.

[3]吳弋曼,葛海江,張能貴.基于WinCE的模擬鍵盤驅動程序的實現[J].機電工程,2008,25(9):103-105.

[4]林建民.嵌入式操作系統技術發展趨勢[J].計算機工程,2001,27(10):1-4.

[5]秦嘉卓,徐昊亮.淺析:VOIP技術原理及技術協議[J].甘肅科技,2008,24(18):33-34.

[6]魏楠.VolP協議簡介與SIP設計原理[J].科技信息,2010(3):29-47.

[7]熊磊,張思發,黃永峰.基于SIP協議Vo IP客戶端的設計與實現[J].數據通信,2008(1):40-43.

[8]李義.VOIP語音模塊軟件設計[D].西安:西安電子科技大學,2009:4-16.